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      當前公路鋼結構橋梁設計現狀
      2021-10-27 來源:東南巖土 

        隨著大跨橋梁的大規模應用,大量采用鋼結構是我國交通基礎設施未來發展的必然趨勢。橋梁造價應綜合考慮建設成本、安全耐久、管理養護等各種因素,鋼結構橋梁自重較輕,節約了下部結構造價,同時施工速度較快,工期較短。鋼結構耐腐蝕性能不足的問題可采取涂裝長效高性能防腐涂料、采用耐候鋼等方法解決。

        

        鋼結構橋梁分鋼箱梁、鋼桁梁全鋼結構,鋼混組合梁結構(鋼板組合梁橋、鋼箱組合梁橋、波形鋼腹板橋梁)

        

        新時期公路鋼結構橋梁設計、建設情況

        鋼桁梁橋

        

        貴陽至黔西高速公路:鴨池河大橋---主跨800m鋼桁梁斜拉橋

        (72+72+76+800+76+72+72)=1240m雙塔雙索面半漂浮體系的混合梁斜拉橋,邊跨為預應力混凝土箱梁,中跨為鋼桁梁結構,邊中跨比為0.275。鋼桁梁結構采用“N”型桁架,橫向兩片主桁,中心間距為27.0m,桁高7.0m,節間長度為8.0m。

        

        湖北宜昌至張家界高速公路:白洋長江公路大橋---主跨1000m鋼桁梁懸索橋

        主橋采用單跨1000m雙塔鋼桁梁懸索橋。

        主桁架采用華倫式,中心距36m,桁高7.5m,小節間長度7.5m,兩節間設一吊點,4節間作為一節段整體吊裝,標準吊裝節段長度30m,端吊裝節段14.2m,跨中吊裝節段10.58m。

        鋼混組合梁橋

        多座橋梁采用30m~50m鋼混組合梁通用圖設計。

        充分利用鋼材和混凝土的材料優勢,混凝土提高了鋼梁的穩定性。

        減小結構高度、提高結構剛度、減小結構在活荷載下的撓度。工廠化生產、現場安裝質量高、施工費用低、施工速度快。

        大幅減少水泥用量,減小對環境污染。存在抗扭剛度較弱、適用跨度不大的缺點。

        結構形式設計選擇

        組合小箱梁斷面存在梁高矮,鋼結構后期養護不便利問題;

        

        工字梁組合斷面施工過程中梁的側傾及鋼腹板的穩定問題較為突出;

        

        設計優化組合箱梁和工字梁的優勢,將工字鋼梁兩片組合為一榀一起預制吊裝,形成工字梁組合斷面。

        

        架設方案

        施工:采用橋面吊機將兩片鋼梁和橋面板組成一榀后,整體預制吊裝架設。

        

        

        鋼板組合梁橋

        多座大橋采用40m、50m鋼混組合梁橋設計。

        負彎矩區結構設計關鍵技術↓↓↓

        1 配筋限制裂縫寬度法

        

        2 支座頂升法

        

        3 預加荷載法

        

        4 施加預應力筋法

        

        5 抗拔不抗剪連接新技術

        

        抗拔不抗剪連接新技術

        對于負彎矩區段,應用清華大學聶建國院士的創新技術---抗拔不抗剪連接新技術,有效解決負彎矩區開裂的難題。

        

        

        

        

        波形鋼腹板組合梁橋

        主跨跨徑范圍為70m~110m,在甘肅、廣東珠海分別完成各一座,主跨跨徑分別為100m和160m,組合箱梁均為變截面,懸臂澆筑施工。

        

        波形鋼腹板組合梁橋設計關鍵技術

        1、根據抗剪強度與剪切屈曲穩定性合理選擇波形鋼腹板的厚度與形狀。波形鋼腹板在縱向由于折皺效應,其縱向抗拉壓剛度小,故設計時認為波形鋼腹板不承受軸向力:即近似認為抗彎慣矩計算可僅考慮混凝土頂、底板,而剪力則完全由鋼腹板承擔,且剪應力在腹板上作均勻分布。

        

        2、折形腹板間的連接

        臨時栓接+焊接形式

        

        3、波形鋼腹板與混凝土頂板的連接:波形鋼板與混凝土頂板的連接采用埋入式連接,即在波形鋼板的頂端焊接鋼板,鋼板上焊接穿孔板,使之與混凝土板結合在一起。

        4、波形鋼腹板與混凝土底板的連接:目前采用了兩種方式:一是常規的埋入式;另一種為托底式連接。

        

        波形鋼腹板與混凝土頂板的連接

        

        波形鋼腹板與混凝土底板的連接-埋入式

        

        波形鋼腹板與混凝土底板連接-托底式

        常規跨徑和橋型的鋼結構應用經濟分析

        對部版預制T梁和小箱梁指標統計:

        

        

        

        組合梁指標統計:

        

        

        

        幾座高速鋼板組合梁與T梁、小箱梁上部結構重量比較表:

        

        通過以上表對比可看出:30m跨組合梁總重相比T梁減輕36%,40m跨組合梁總重相比T梁減輕41%, 50m跨組合梁總重相比T梁減輕43% 。

        幾座高速抗震結構內力分析對比L:

        

        由上表可知,相比混凝土T梁,上構采用組合梁,E1、E2地震作用下橋墩內力大幅降低,降低比例為11.5%~26.8%。因此,在高烈度地區,上部結構采用組合梁形式更具優勢。

        從經濟性上看,對于地震動峰值加速度0.4g的情況,由于上部組合梁支承反力的減小,地震作用下結構內力大幅減少,總體上組合梁造價低約8.2%左右,具有優勢。

        一般地區高速鋼混組合梁經濟性:

        綜合上、下部結構后,總體上40m、50m鋼混組合梁較預制T梁造價分別增加了13.1%、18.9%。

        70~160m波形鋼腹板經濟性分析:

        

        

        

        與常規混凝土梁相比,波形鋼腹板混凝土用量減少10%~25%,預應力用量減少15%左右,鋼材用量增加40%左右,同時下部結構總量可減少20%左右;

        在75~130m跨徑范圍內,波形鋼腹板與連續剛構經濟性相當;

        在130~160m范圍內,波形鋼腹板造價高約13%;

        另外考慮到波形鋼腹板橋梁抗扭性能較弱,對跨徑90~160m范圍的曲線橋梁,建議仍采用預應力混凝土連續剛構橋。

        山區高速公路鋼結構發展的幾點思考

        1、加強推動高性能結構鋼的應用

        在中小型橋梁中,橋梁鋼結構的應用面臨PC橋的競爭,為提高競爭力,高性能鋼結構鋼的應用成為國際鋼橋發展的重要措施。

        我國鐵路鋼橋多采用《橋梁結構用鋼》(GB/T714-2015),而建筑鋼結構、公路鋼橋則多采用《低合金高強度結構鋼》( GB/T 1591)。目前耐候鋼的材料性能基本達到了橋梁鋼結構標準,應當大力推廣應用。

        2.加強橋梁結構方案比選:

        

        優先選用鋼結橋梁的工程:

        鋼結構橋梁自重輕,尤其在特大跨徑橋梁、高地震烈度區橋梁中優勢明顯、應該優先選用。

        彎坡斜等特殊形狀的橋梁,受力條件復雜、適宜鋼材各向同性的優勢發揮,應優先采用。

        3.做好鋼結構橋梁的選型工作:

        

        每一類結構,根據細部結構差異又可以分為多種結構類型,每種結構有其各自的特點和適用范圍。

        

        4.加強鋼結構橋梁的構造設計:

        細部設計

        加強節點、截面過渡和連接部的細部設計,做到結構連續均衡,避免斷面突變和過分應力集中,減少結構疲勞損傷。

        防腐設計

        完善排水設計,切實做到不滲不漏,防止橋面水對鋼結構的腐蝕,強化排水系統材料選擇、結構設計和施工安裝等精細化設計。

        穩定設計

        加強上部結構的抗傾覆構造設計和驗算,保證結構穩定性,對于箱型整體性斷面,支點間距不宜小于結構寬度的60%.

        鋼結構橋梁斷面尺寸小,構造設計對橋梁結構的安全和耐久性影響顯著。應針對鋼結構橋梁的構造特點,重點做好細部構造設計。

        

        鋼結構橋梁適宜工廠化制造、工業化生產,應通過結構標準化、加工只能化,更好地提升鋼結構橋梁建造品質,降低建設成本,提高生產效率。

        設計師:統籌考慮鋼結構橋梁標準化設計、工廠化制造等問題,合理劃分構件和節段。

        

        

        施工現場工程師:鋼結構拼裝方案要進行專項設計,現場拼裝可以采用焊接連接,也可以采用栓接、鉚接等方式,盡量減少施工現場焊接、防腐涂裝,增加施工操作的便利性,保證質量耐久性。

        來源:路橋工程設計



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